《电气材料课件总结》讲义

电气材料课件总结目录材料基础及发展电气材料的定义、历史发展与基本分类分类与结构导体、绝缘体、半导体、磁性材料的特性与结构性能对比各类材料性能参数与应用场景对比工程应用在电力系统、建筑电气和电子设备中的具体应用新材料探索纳米材料、智能材料与未来发展趋势总结与展望电气材料的定义电气材料是指专门用于制造和运作各种电气设备的材料，这些材料需要电气材料是电气工程的物质基础，其性能直接决定了电气设备的效具备特定的电气、磁性、机械或热学性能，以满足电气工程领域的各种率、安全性、可靠性和使用寿命需求电气材料的选择必须根据具体应用场景，考虑电压等级、工作温度、机电气材料的核心特性械应力和环境条件等因素，从而确保电气系统的安全稳定运行•优良的导电性能（导体材料）•可靠的绝缘性能（绝缘材料）•特定的磁性能（磁性材料）•半导体特性（半导体材料）•机械强度与热稳定性电气材料发展历程1世纪初20铜导线开始广泛普及应用，成为当时电力传输的主要载体这一时期的绝缘材料主要为天然橡胶、纸质和油浸材料，电气设备体积庞大，效率较低2年代1960塑料绝缘材料如聚氯乙烯PVC和聚乙烯PE开始大规模应用于电线电缆领域，显著提高了绝缘性能和使用寿命半导体硅材料的应用开始普及，推动了电子技术革命3世纪21纳米材料、复合材料和智能材料兴起，电气材料进入微观设计和多功能化阶段碳基材料如石墨烯、碳纳米管等前沿材料开始进入实验应用阶段，为电气工程带来革命性变革电气工程中常用材料概述绝缘材料导体材料阻止电流通过，保护设备和人员安全包括有用于传导电流，主要包括铜、铝及其合金，特机材料（塑料、橡胶）和无机材料（陶瓷、玻点是电阻率低、导电性好常见于电线电缆、璃）应用于电缆外皮、变压器绕组、开关柜母线、电机绕组等等磁性材料半导体材料具有特定磁性能，分为软磁和硬磁材料软磁导电性介于导体与绝缘体之间，可通过掺杂调材料用于变压器和电机铁芯；硬磁材料用于永控主要有硅、锗及化合物半导体用于各类磁电机和传感器等电子元器件、集成电路等材料科学与电气工程关系材料性能决定电气设备关键指标新材料推动电气技术创新•导体材料的电阻率直接影响能量传输效率与发热损耗电气工程的发展历程中，每一次重大技术突破几乎都伴随着材料科学的创新•绝缘材料的介电强度决定设备的电压等级与安全裕度•磁性材料的磁导率与损耗影响变压器和电机的效率•超导材料使高效率输电成为可能•半导体材料的纯度与掺杂精度决定电子器件的稳定性•第三代半导体材料推动电力电子技术革新•所有材料的热稳定性影响设备的工作温度范围与寿命•纳米复合绝缘材料大幅提升了电气设备的可靠性•新型磁性材料促进了电机效率的提升和体积的减小电线电缆材料种类铜导体铝导体钢芯导体塑料绝缘导电性优良，电阻率密度低，价格便宜，铝包钢或钢芯铝绞包括PVC、PE、低，机械性能好，但但导电性比铜差主线，结合了铝的导电XLPE等，具有良好价格较高主要用于要用于架空输电线性和钢的机械强度的绝缘性能和加工性建筑配线、低压电力路、大截面电力电缆用于跨越大距离的高能用于电缆的外护电缆和精密电子设和母线槽压输电线路层和绝缘层，提供电备气绝缘和机械保护导体材料铜铜导体的基本特性主要应用场景•纯度要求99%以上的高纯度电工用铜铜作为最常用的导体材料，广泛应用于•电阻率

1.7μΩ·cm（20℃标准条件下）•电力传输主干线路•导电率58MS/m（国际退火铜标准）•建筑物内部电气布线•密度

8.9g/cm³•电机绕组导线•熔点1083℃•变压器线圈•导热系数401W/m·K•电子设备内部连接•接地系统铜导体的优势在于低电阻率、良好的机械加工性能以及优异的抗氧化性，但其价格较高且密度大，在某些应用中开始被铝等材料替代导体材料铝

2.

82.766060%电阻率密度熔点℃相对导电率μΩ·cm g/cm³铝的电阻率略高于铜，导电性能相仅为铜的约1/3，大大减轻了线路重熔点低于铜，但满足大多数应用场与同截面的铜相比，导电能力约为对较低量景需求铜的61%铝导体的主要应用由于铝的密度低、价格便宜的特点，它主要应用于•高压和超高压输电线路•配电系统中的大截面电缆•母线槽和配电柜内部导体•需要考虑重量因素的移动设备合金与新型导体铜铝合金导体超导体材料通过合金化改善导体材料的性能在特定温度下电阻降为零的材料•铜锡合金提高耐磨性和抗疲劳性•低温超导体Nb₃Sn、NbTi等，工作温度需低于-250℃•铜镁合金提高强度，保持良好导电性•高温超导体YBCO、BSCCO等，工作温度可达-196℃•铝镁硅合金强度提高20%，用于架空线•实验应用超导电缆、超导变压器、超导限流器•铝锆合金高温稳定性好，用于特种导线•未来展望室温超导体研究正在进行中合金导体和超导体的发展极大地拓展了电气工程的应用边界，使高效、紧凑型电气设备成为可能虽然目前超导体仍受限于低温环境和高成本，但其零电阻特性将为未来电力系统带来革命性变化绝缘材料概念绝缘材料的基本功能常用绝缘材料类型绝缘材料是电气工程中不可或缺的组成部分，其主要功能包括根据材料性质和应用场景，绝缘材料可分为•阻止电流在不同导体间流通•有机高分子材料聚氯乙烯PVC、聚乙烯PE•保障设备和人员的电气安全•交联改性材料交联聚乙烯XLPE•维持电场分布的稳定性•弹性体材料各类橡胶•提供机械支撑和保护•无机材料陶瓷、玻璃、云母•在某些场合提供热传导路径•复合材料环氧玻璃层压板、云母带等选择绝缘材料时，需综合考虑其介电强度、体积电阻率、介电损耗、热稳定性、机械强度等多种性能指标，以满足特定电气设备的使用要求聚合物绝缘材料聚氯乙烯聚乙烯交联聚乙烯PVC PEXLPE最常用的电线电缆绝缘材料，价格低廉，加工优良的电气性能和化学稳定性，介电损耗低，通过交联改性提高了热稳定性和机械强度，最性能优良，阻燃性好最高工作温度约但阻燃性差最高工作温度约80℃，常用于高工作温度可达90-120℃广泛应用于中高70℃，适用于一般建筑布线和低压电缆通信电缆和中压电力电缆压电力电缆，最高耐压可达35kV及以上聚合物绝缘材料具有质轻、成本低、易加工和良好电气性能等优点，已成为现代电气工程中最广泛使用的绝缘材料通过各种改性技术（如交联、共混、填充等），可以进一步提高其性能以适应不同的应用场景无机绝缘材料陶瓷材料玻璃材料云母材料复合无机材料主要成分为氧化铝、钠钙硅酸盐或硼硅酸天然云母或合成云结合有机和无机材料氧化硅等具有极高盐玻璃透明度好，母层状结构，耐高优点的复合绝缘体的耐热性（可达化学稳定性高，耐候温（可达500-如云母带、玻璃纤维1000℃以上）和优性优异广泛用于悬800℃），介电强度增强环氧树脂等在异的电气绝缘性能式绝缘子、真空开关高用于电机绝缘、保持高绝缘性的同时主要用于高压绝缘管壳和某些特种灯加热元件和特高压设提供更好的机械性子、开关设备的绝缘具备的关键绝缘部位能，用于变压器、电支撑和电加热元件机等设备电子绝缘性能对比介电强度kV/mm漏电起痕电压V半导体材料基本特性半导体材料的基础特征半导体材料是现代电子技术的核心，其特性主要由能带结构决定•禁带宽度适中（

0.1-3eV），介于导体与绝缘体之间•导电性能可通过温度、光照和掺杂等外部条件调控•P型和N型掺杂形成的PN结是半导体器件的基础•表现出明显的整流效应和光电效应主要半导体材料•元素半导体硅Si、锗Ge•化合物半导体砷化镓GaAs、磷化铟InP半导体能带结构示意图•氧化物半导体氧化锌ZnO、氧化铟锡ITO半导体材料的电学性能主要由其能带结构决定价带与导•宽禁带半导体碳化硅SiC、氮化镓GaN带之间的禁带宽度影响其导电性能，而通过掺杂可以改变费米能级位置，形成N型或P型半导体硅基半导体应用功率器件集成电路硅基二极管、三极管、晶闸管SCR等从简单的逻辑门到复杂的微处理器，功率半导体器件广泛应用于电力电子硅基集成电路是现代电子设备的核领域，实现电能变换和控制它们可心先进工艺下，单个芯片可集成数承受几百至几千伏的电压和几十至几十亿个晶体管，实现强大的计算和控百安培的电流制功能传感器与光电器件硅基光电二极管、温度传感器、霍尔元件等各类传感器，在电气测量、自动控制和信号转换等领域发挥重要作用，是物联网和智能设备的重要组成部分硅基半导体之所以成为主流，主要得益于其丰富的资源储量、成熟的加工工艺和适中的成本高纯度单晶硅的制备技术、离子注入、光刻和氧化等微电子加工工艺的发展，使硅基半导体器件的集成度不断提高，性能持续改进，为现代电子和电气技术的发展奠定了坚实基础新一代半导体材料碳化硅半导体氮化镓半导体SiC GaN•禁带宽度

3.2eV（是硅的3倍）•禁带宽度

3.4eV•击穿电场强度3MV/cm（是硅的10倍）•电子迁移率高，适合高频应用•热导率

4.9W/cm·K（是硅的3倍）•可实现更小尺寸的器件•最高工作温度可达600℃•热导率

1.3W/cm·K•主要应用高压功率器件、高温电子设备•主要应用高频功率放大器、LED、电力电子第三代宽禁带半导体材料（SiC和GaN）的出现，显著提升了电力电子器件的性能边界，使器件能够在更高的电压、更高的频率和更高的温度下工作，从而推动了高效率电能变换设备的发展这些新型半导体材料正逐步应用于电动汽车驱动系统、高压直流输电、光伏逆变器和无线通信等领域，成为电气工程技术革新的重要驱动力磁性材料分类硬磁材料难以磁化和去磁，磁滞回线宽，剩磁和矫顽力高，适合制作永磁体主要包括•钕铁硼等稀土永磁软磁材料•铁氧体硬磁材料特种磁性材料易于磁化和去磁，磁滞回线窄，磁导率高，适合交变磁场应用•铝镍钴合金主要包括具有特殊磁性能，用于专门应用场合包括•钐钴永磁•硅钢片（铁硅合金）•磁致伸缩材料•坡莫合金（铁镍合金）•磁热材料•铁氧体软磁材料•巨磁阻材料•非晶和纳米晶合金•磁记录材料磁性材料的选择取决于应用场景的具体要求在电力变压器中，要求软磁材料具有高磁导率和低铁损；在永磁电机中，则需要硬磁材料具有高剩磁和足够的矫顽力；而在传感器和记录设备中，则可能需要特种磁性材料的独特性能软磁材料性能软磁材料的关键性能指标主要软磁材料及应用初始磁导率决定低磁场下的磁化能力材料类型特点主要应用最大磁导率影响材料的磁化性能上限硅钢片成本低，性能适中变压器、电机铁芯饱和磁感应强度确定磁路中的最大磁通密度矫顽力越低越容易退磁，软磁材料应尽量低坡莫合金高磁导率，低矫顽磁屏蔽，磁头铁损包括磁滞损耗和涡流损耗，影响效率力居里温度超过此温度材料失去磁性铁氧体高电阻率，低涡流高频变压器，电感损耗器非晶合金超低铁损，高效率配电变压器软磁材料在电气工程中主要用于转换、引导和控制磁场，是变压器、电感器、继电器等设备的核心部件随着节能要求的提高，低损耗软磁材料如取向硅钢、非晶和纳米晶合金的应用越来越广泛硬磁材料性能

1.5T1000kA/m350°C80%最大磁能积矫顽力最高工作温度市场份额钕铁硼永磁材料的最大磁能积可达高性能稀土永磁的矫顽力可达1000-钐钴永磁可在350°C高温环境下稳钕铁硼和铁氧体永磁占据了全球硬400kJ/m³，是所有永磁材料中最高2000kA/m，确保在强退磁场下仍定工作，适合高温应用场合磁材料市场的主导地位的，直接决定了永磁体的能量密度能保持磁性和体积硬磁材料的主要应用•永磁电机电动汽车驱动电机、风力发电机•医疗设备核磁共振成像MRI系统•磁性传感器位置检测、速度测量•声学设备扬声器、麦克风•磁性分离设备矿石分选、污水处理•磁性夹持和固定装置导电性材料对比表金属导体材料关键参数对比材料电阻率μΩ·cm导电率%IACS密度g/cm³主要用途铜电线电缆，绕组

1.

71008.9铝架空输电线，母线

2.

8612.7银精密导体，触点

1.

610510.5金电子接点，连接器

2.

37319.3黄铜接线端子，连接件

6.

0288.5碳纳米管10⁻⁶

10001.3微电子，实验阶段导电材料的选择需综合考虑电气性能、机械性能、成本和工艺性等多种因素铜虽然电阻率略高于银，但因成本适中且性能全面，成为最广泛使用的导体材料铝因密度低，在考虑重量因素的场合具有优势新型导电材料如碳纳米管虽然理论性能优异，但目前仍处于研究和小规模应用阶段绝缘材料对比表常用绝缘材料性能对比材料最高工作温度°C介电强度kV/mm特点价低、机械性好、阻燃PVC7018-20热稳定性优、介电损耗低XLPE90-12022-25柔软、耐候性好EPR9020-22陶瓷500以上15-25极耐高压与高温、脆性云母耐热耐电弧、价高500-80025-40环氧树脂机械强度高、耐潮湿130-15517-25绝缘材料的选择需要根据工作环境、电压等级、机械要求和成本等因素综合考虑在低压场合，PVC因其经济性和综合性能广泛应用；中高压电缆多选用XLPE和EPR；而在高温和特殊环境下，则需要陶瓷、云母等无机绝缘材料复合绝缘材料则结合了不同材料的优点，在特定场合显示出独特价值电工钢与电机铁心电工钢的基本类型电工钢的全球应用规模无取向硅钢各向同性，主要用于旋转电机电工钢是电力系统和电气设备的基础材料，其年全球用量达2600万吨，主要分布在取向硅钢沿轧制方向磁性能优越，主要用于变压器电工钢的关键性能参数铁损以W/kg为单位，50Hz下典型值为

1.5-

3.0W/kg磁感应强度在给定磁场强度下的磁通密度硅含量通常为2-

3.5%，增加硅含量可降低铁损厚度常见规格为

0.5mm、

0.35mm、

0.27mm等变压器工业电机家电电机其他电工钢片通过叠装形成电机和变压器铁心，其质量直接影响设备的效率和性能随着节能要求提高，高性能电工钢如高磁感取向硅钢和超薄无取向硅钢的需求不断增长电气用高分子复合材料玻璃纤维增强复合材料玻璃纤维增强聚酯树脂FRP和环氧树脂复合材料具有高强度、轻质和优良的绝缘性能，广泛用于绝缘子、开关柜壳体和支架等结构件其耐候性好，使用寿命可达20年以上填充改性橡胶在天然橡胶或合成橡胶中添加碳黑、硅石粉等填料，可改善其机械性能和电气性能这类材料常用于高压电缆接头、绝缘垫片和防震部件，具有良好的弹性和密封性纳米复合绝缘材料在传统高分子基体中添加纳米级填料（如纳米氧化铝、纳米二氧化硅等），可显著提高材料的电气强度和热稳定性这类新型复合材料正逐步应用于高端电力设备中复合材料在电气工程中的优势•可通过成分调整实现性能定制•成型工艺灵活，可制作复杂形状•综合了不同材料的优点•耐腐蚀性好，适合恶劣环境•重量轻，便于安装和运输•维护成本低，使用寿命长电气材料环境友好性传统电气材料的环境问题环保型电气材料的发展•PVC电缆中的增塑剂和稳定剂可能含有有害物质无卤阻燃型PVC•某些绝缘油含有多氯联苯PCB等环境持久污染物采用无卤阻燃体系，减少燃烧时的有害气体释放，同时保持良好的•电子设备中的铅、汞、镉等重金属阻燃性能•阻燃剂中的溴化物对环境影响•材料废弃处理不当导致的污染生物基绝缘材料利用植物油替代矿物油作为变压器油，降低环境影响，提高生物降解性可回收橡胶材料开发易于回收和再利用的橡胶配方，减少废弃物处理问题，实现资源循环利用新型纳米材料简介纳米氧化铝碳纳米管纳米二氧化硅粒径在1-100nm的氧化铝颗粒，添加到聚合物直径仅为纳米级的管状碳结构，具有极高的机械应用于高压绝缘件中的纳米二氧化硅可有效抑制绝缘材料中可显著提高其介电强度和热导率在强度和电导率在复合导体中添加碳纳米管可显电树枝生长，提高材料的抗电晕性能实验表电缆绝缘中的应用显示，添加3-5%的纳米氧化著提高其导电性和机械性能，是未来轻量化导体明，添加适量纳米二氧化硅的环氧树脂，其击穿铝可使绝缘性能提升30%，延长电缆使用寿命的重要研究方向强度可提高20-40%纳米材料在电气工程中的应用正从实验室阶段逐步走向产业化这些材料通过纳米级结构设计，能够在不改变材料基本性质的情况下，显著提升特定性能，为电气设备的小型化、高效化和可靠性提升提供新的解决方案常用电缆类型全景动力电缆用于电力传输的大截面电缆，电压等级从低压

0.6/1kV到超高压500kV不等常见类型包括YJV（交联聚乙烯绝缘）、VV（PVC绝缘）等核心结构包括导体、绝缘层、屏蔽层和外护套控制电缆用于传输控制信号的多芯细导体电缆，如KVV（PVC绝缘控制电缆）、KVVP（屏蔽控制电缆）等特点是芯数多（从数芯到数十芯），截面小（通常

0.5-

2.5mm²），适合工业自动化系统通信电缆包括传统的铜芯通信电缆和现代光纤电缆前者如HYA（市内通信电缆），后者如GYTS（层绞式光缆）特点是传输频带宽、衰减小，适合长距离信息传输特种电缆针对特殊环境和用途设计的电缆，如耐火电缆NH-YJV、矿物绝缘电缆BTTZ、船用电缆、核电站用电缆等这类电缆通常具有特殊的性能要求，如耐高温、耐辐射、防爆等动力系统材料选型案例工厂用变压器系统案例选型关键考量因素2500kVA主要设备与材料选择载流量与温升安全变压器本体采用取向硅钢片铁芯，铜导体绕组铜芯导体的选择基于其载流能力和温升特性对于2500kVA变压器的低高压侧10kV级XLPE绝缘电力电缆压侧（通常为400V），满负荷电流约为3600A，需要选用合适截面的导体以确保温升不超过允许值低压侧铜芯YJV22-

0.6/1kV电缆，3×240mm²截面经济性与可靠性平衡连接部件铜排和铜铝过渡接头冷却系统矿物绝缘油和强迫风冷散热装置虽然铝导体成本更低，但考虑到工厂负载的重要性和连续运行要求，选择了更可靠的铜导体XLPE绝缘的选择则平衡了性能和成本因素环境适应性考虑工厂环境中可能存在的机械应力、振动和温度变化，选择了具有钢带铠装的YJV22型电缆，提高了系统的机械强度和安全裕度建筑配线材料选用商业楼宇配线材料商业建筑对安全性要求高，优先选用•难燃低烟无卤LSZH型电缆，减少火灾危害•铜芯阻燃型BV、BVR线用于照明和插座回路•屏蔽型RVVP线用于智能系统控制线路•铝合金或铜母线槽用于干线配电•耐火型矿物绝缘电缆用于消防系统居民建筑配线材料居民建筑注重经济性和安全性平衡•BV硬线（单芯）用于暗管敷设的固定布线•BVR软线（单芯）用于需要一定弯曲的部位•RVV护套线（多芯）用于家电连接和短距离明敷•BVVB扁平双芯线用于空调等大功率设备•阻燃等级要求不低于ZA级特殊场所配线考量特殊环境需要专门设计的电缆•潮湿区域采用防水型电缆如YJV22•厨房油烟区使用耐高温AGRP或AFHF电缆•外部环境选用耐紫外线和防水型电缆•地下车库选用矿物绝缘或低烟无卤型电缆高压输电线路典型材料线路导体材料线路绝缘材料220kV220kV超高压输电线路对导体材料提出了严格要求铝包钢绞线ACSR结合钢芯的机械强度和铝外层的导电性耐热性能可达150°C的持续工作温度抗拉强度通常不低于1200MPa电晕损失采用多根分裂导线减少电晕效应风振防护安装阻尼器减少疲劳损伤新型导线材料随着技术发展，新型导线正逐步应用•碳纤维复合芯导线ACCC更轻、载流量更大•高温低弧垂导线HTLS允许更高的工作温度高压线路的绝缘系统主要由绝缘子构成瓷质绝缘子传统材料，稳定性好但重量大玻璃绝缘子透明便于检查，但易积污复合绝缘子采用硅橡胶外套和玻璃纤维芯棒，重量轻，憎水性好在潮湿、污秽环境中，复合绝缘子的应用比例正不断提高，其憎水性和抗污闪性能优于传统瓷质和玻璃绝缘子，可有效减少停电事故绝缘子与避雷器材料瓷质绝缘子主要由高强度瓷料（氧化铝含量45%以上）制成，具有机械强度高、耐老化、价格适中的特点缺点是重量大、易积污，在污秽地区需要定期清洗常用于传统输电线路和变电站设备复合绝缘子由内部玻璃纤维增强环氧树脂芯棒和外部硅橡胶伞裙组成硅橡胶表面具有优异的憎水性和抗老化性，重量仅为同等瓷质绝缘子的1/10近年来应用比例持续提升，在新建线路中占比已超过70%氧化锌避雷器核心元件为氧化锌ZnO压敏电阻，具有非线性伏安特性，可在过电压时快速导通并限制电压幅值外部采用复合材料外套或瓷套响应时间可达纳秒级，保护性能优于传统碳化硅避雷器绝缘子和避雷器是电力系统安全运行的关键组成部分材料的选择需要综合考虑电气性能、机械强度、环境适应性和经济性随着复合材料技术的发展，复合绝缘子和复合外套避雷器正逐步取代传统瓷质产品，提高了电网的可靠性和安全性电气连接常用材料铜铝复合端子接触点材料解决铜铝导体连接问题的专用部件银合金触点•结构铜与铝金属冶金结合而成银及其合金（如银镍、银氧化镉）是最常用的触点材料，导电性优•工作原理利用过渡连接避免电偶腐蚀良，氧化物仍具导电性用于继电器、接触器等频繁操作的场合•应用大型电力设备铜铝导体过渡连接•优势解决了铜铝直接连接易腐蚀的问题铜合金触点压接端子材料铜基合金如黄铜、青铜等，成本低但接触电阻较高，适用于负载较铜管适用于铜导体压接，导电性好小的场合通常需要镀银或镀金处理以提高性能铝管适用于铝导体，价格低镀锡铜耐氧化性好，适合长期使用钨合金触点镀镍铜耐腐蚀性优异，用于特殊环境耐高温、抗电弧侵蚀，适用于大电流断路的场合常见的有纯钨、钨铜合金等，应用于高压断路器和大功率开关常见电气元件用材料熔断器材料断路器触头材料熔断体通常采用锡-铅合金、锌或银合金丝，根据所需熔断特性选择断路器触头需要同时具备良好的导电性和耐电弧性能小型断路器常采对于低压熔断器，常用锡铅合金；对于快速熔断型，则使用银合金支用银镍合金（含镍10-40%）触头；大型断路器则采用银钨合金或铜钨持结构多采用陶瓷本体和铜触头，确保良好的导电性和散热性合金，以承受更强的电弧侵蚀灭弧室多采用耐热陶瓷或特殊工程塑料继电器材料电容器材料继电器线圈通常采用漆包铜线绕制，骨架使用工程塑料或酚醛树脂触电力电容器的电极材料通常为铝箔，介质材料包括聚丙烯薄膜、金属化点材料根据电流大小选择，小电流继电器用金合金或银合金，大电流继聚酯薄膜等外壳采用铝壳或钢壳，内部充填绝缘油或环氧树脂在高电器用银镉氧化物合金铁芯多采用硅钢片或镍铁软磁合金频应用中，陶瓷电容器使用钛酸钡等高介电常数材料作为介质电子封装材料封装材料的主要类型封装材料的主要功能玻璃封装主要用于二极管等小型器件和特殊环境应用硼硅酸盐玻璃通过高温熔融与金属引脚形成气密封装，具有优异的气密性和耐候性，但成本较高，适用于军工和航天领域树脂封装最常见的封装形式，采用环氧树脂作为基体，添加二氧化硅等填料提高性能优点是成本低、工艺简单、适应性强；缺点是气密性较差，在极端环境下可能失效陶瓷封装主要用于高可靠性和高功率器件氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷提供优异的散热性能和电气绝缘性，通过金属化和钎焊工艺实现密封，适用于高温高压环境封装材料在电子设备中承担多重功能物理保护防止机械损伤和外部冲击环境隔离抵抗湿气、尘埃和化学物质侵入电气绝缘防止短路和漏电热管理提供散热通道，确保温度稳定机械支撑提供结构强度和连接基础热管理材料与应用导热硅脂石墨散热片导热界面材料热管和均热板导热系数通常为

0.5-5W/m·K，由人工石墨材料，面内导热系数可达包括导热硅胶片、相变材料等，导基于相变换热原理的高效散热部硅油基质和氧化铝、氧化锌等填料1000-1500W/m·K，厚度通常为热系数范围为1-15W/m·K用于件，等效导热系数可达10,000-组成主要用于填充半导体器件与

0.01-

0.1mm主要用于移动设备功率模块、CPU等高发热元件与散100,000W/m·K主要用于高功散热器之间的微小空隙，减少接触和薄型电子产品的热扩散，可将热热器之间的热传递相比导热硅率密度设备的热量传输，如服务热阻优点是流动性好，易于施量从热点区域快速扩散到更大面脂，具有更好的长期稳定性和更方器、高性能计算机等优点是热传工；缺点是长期使用可能发生干化积优点是轻薄、柔性好；缺点是便的施工性，但成本相对较高输效率极高；缺点是结构复杂，成和泵出效应垂直方向导热性能较差本较高变压器油与绝缘纸变压器油的类型与特性绝缘纸的类型与应用变压器油在电力设备中起绝缘和冷却双重作用矿物绝缘油•来源石油精炼产物•特性介电强度≥35kV，闪点≥135℃•优势成本低，性能稳定•缺点可燃性高，环保性差合成绝缘液•类型硅油、烷基苯等•特性闪点高≥300℃，自熄性好•应用主要用于特殊场合的防火变压器生物降解绝缘油•来源植物油改性•特点环保可降解，闪点高•应用环境敏感区域的变压器纤维素绝缘纸•组成纯木浆纤维素•厚度通常为

0.05-

0.5mm•特性介电强度7-10kV/mm，吸油性好•应用变压器绕组层间绝缘复合绝缘纸•结构纤维素纸与树脂或云母复合•特性机械强度和耐热性提高电气设备常见失效模式绝缘击穿热老化损伤氧化腐蚀当电场强度超过绝缘材料的介电强度时，发生的长期高温运行导致有机绝缘材料氧化、脆化和开金属导体与环境中的氧气、水分、酸碱物质发生破坏性放电现象可分为电气击穿、热击穿和电裂随着温度升高，老化速度呈指数增长（阿伦化学或电化学反应，形成氧化物或腐蚀产物导化学击穿等类型主要表现为绝缘材料出现碳化尼乌斯定律）特别是对于聚合物绝缘材料，每致接触电阻增加，机械强度下降，严重时可能导通道，彻底丧失绝缘性能常见于高压设备、电升高8-10℃，寿命约减少一半表现为材料变致导体断裂铝导体尤其容易发生这种失效，特缆接头等部位色、硬化和机械强度下降别是在湿热环境下预防电气设备失效的关键措施针对常见失效模式，可采取以下预防措施•合理选择材料，确保其额定值与实际工作条件匹配•加强防潮、防尘和温度控制，创造良好的运行环境•定期检测设备绝缘状态，及时发现老化迹象•对金属连接部位进行防氧化处理，如镀锡、涂覆防腐剂等•控制设备负载，避免长期过载运行材料测试方法介电强度测试导电率测试老化与热稳定性实验漏电起痕试验通过逐步提高施加在样品两端的电对于导体材料，采用四探针法或涡通过加速老化试验评估材料的长期通过在材料表面施加电压并滴加导压，直至发生击穿，测定材料的耐流法测量电阻率四探针法适用于性能包括热老化试验（在高温环电溶液，测试材料抵抗表面碳化通电压能力测试方法包括短时间耐样条和薄膜，涡流法适用于批量测境中暴露一定时间）、紫外老化试道形成的能力按IEC60112标压试验和步进耐压试验，根据IEC试测量结果通常以Ω·m或S/m表验和湿热循环试验等老化后测量准，测量比较电痕化指数CTI或耐60243标准执行测试结果通常以示测试需在恒温环境下进行，通材料的物理和电气性能变化，以评电痕化指数PTI，用于评估绝缘材kV/mm表示，是评价绝缘材料基常采用20℃作为标准参考温度估其耐久性和使用寿命料在潮湿或污秽条件下的表面绝缘本性能的重要指标性能电气安全与材料相关性防火阻燃要求漏电起痕性能测试标准电气材料的防火性能直接关系到设备和人员安全阻燃等级分类ZA级自熄性较差，垂直燃烧试验时，燃烧时间不超过60秒ZB级自熄性较好，燃烧时间不超过30秒ZC级自熄性优良，燃烧时间不超过15秒氧指数要求OI氧指数是表示材料阻燃性的重要指标•普通PVC氧指数约25-30%•阻燃型聚乙烯氧指数≥30%•特种阻燃材料氧指数可达40%以上烟密度与毒性要求漏电起痕是绝缘材料表面在潮湿条件下形成导电通道的现象低烟无卤LSZH材料在燃烧时产生的烟气密度低，且不含卤素，减少有毒气体释放，适用于人员密集场所比较电痕化指数CTI根据IEC60112标准，材料按CTI值分为CTI≥600V I类材料，优异400V≤CTI600V II类材料，良好250V≤CTI400V III类材料，中等100V≤CTI250V IV类材料，较差材料选择指导在潮湿、污秽环境中，应选择CTI值高的材料，尤其是室外设备、工业环境和沿海地区的电气设备国际标准与国内规范标准体系IEC国际电工委员会IEC制定的电气材料相关标准IEC60502额定电压1kV-30kV电力电缆标准IEC60317绕组线标准IEC60243绝缘材料电气强度试验方法IEC60085电气绝缘材料的耐热性评定与分级IEC60112固体绝缘材料耐电痕化指数测定方法标准体系GB中国国家标准中与电气材料相关的主要标准GB/T12706额定电压1kV-35kV挤包绝缘电力电缆GB/T17650电气绝缘材料耐电痕化指数和耐电痕化比较指数的测定方法GB/T2900电工术语系列标准GB/T3048电线电缆电性能试验方法GB/T8323硬质绝缘材料电气强度试验方法行业标准体系电力、电子等行业的专业标准DL/T401架空输电线路用绝缘子技术条件JB/T10696电力变压器用绝缘材料技术条件SJ/T10694电子设备用塑料件通用规范NB/T10037电力设备绝缘材料技术监督导则智能电网背景下的材料挑战高频高电压环境下的新要求耐环境老化能力提升智能电网的发展带来了电气材料面临的新挑战高频环境电力电子设备广泛应用，产生高频谐波高电压梯度输电电压等级不断提高，达到特高压水平复杂电磁环境各类通信设备和电力设备并存分布式能源接入引入新的电能质量问题材料响应策略•开发低介电损耗的绝缘材料，减少高频损耗•提高材料的部分放电起始电压，增强抗电晕能力•改善材料的电磁屏蔽性能，减少干扰智能电网设备面临更复杂的环境条件和更长的使用寿命要求关键挑战•设备户外化趋势增加，面临更严峻的气候考验•维护成本高，要求材料具有更长的使用寿命•设备小型化带来的热管理问题更加突出材料发展方向•纳米复合绝缘材料提高耐老化性能电动汽车对电气材料的新需求电池材料功率电子材料锂离子电池采用石墨负极、金属氧化物正极和逆变器和DC-DC转换器采用SiC和GaN等宽禁聚合物电解质对电极材料要求高能量密度、带半导体，要求高耐压（600V-1200V）、高高循环寿命；对隔膜材料要求高机械强度和热频率（20kHz）和高温工作能力稳定性；对电解质要求高离子导电率和宽电化（150℃）散热材料需具备优异的导热性学窗口能和电绝缘性能电机材料高压线缆材料驱动电机采用高性能软磁材料（硅钢或非晶合车内高压系统（400V-800V）需要专用的高金）制作定子铁芯，永磁体采用钕铁硼等高性压线缆，要求轻量化、柔性好、耐高温、高绝能永磁材料绕组要求耐高温（155℃以上）缘强度常采用XLPE或硅橡胶绝缘，铝合金的绝缘材料，通常采用聚酰亚胺等特种绝缘材或铜导体，以及特殊的EMC屏蔽层设计料轻量化与高性能的平衡电动汽车材料面临轻量化和高性能之间的平衡挑战铝导体可减轻重量但需要更大的截面积；高性能磁性材料可提高电机效率但成本更高；新型复合材料可在保证机械强度的同时减轻重量未来发展趋势是通过材料微观结构设计和复合技术，实现电气材料的轻量化、高性能、长寿命可再生能源用材料风电设备专用材料光伏设备材料风电电缆材料光伏组件封装材料耐低温性能适应-40℃极寒环境EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）胶膜是最常用的光伏电池封装材料，要求抗紫外线户外使用不老化•高透光率（90%）耐扭转设计适应叶片和塔筒连接处的反复扭曲•优异的耐候性（25年以上寿命）抗臭氧高空环境中臭氧浓度较高•良好的绝缘性能（体积电阻率10^14Ω·cm）风电电机材料•适当的交联度，确保长期可靠性光伏连接器和电缆•超大型永磁发电机使用稀土永磁材料•特殊设计的绝缘系统，耐湿热循环•耐紫外线、耐臭氧特种橡胶材料•轻量化导体设计，减轻顶部重量•防水等级达IP67以上•温度范围-40℃至90℃•阻燃等级达到UL94-V0储能系统材料可再生能源配套的储能系统对材料提出了特殊要求•电池材料需兼顾能量密度、功率密度和循环寿命•功率转换设备需使用高效率、低损耗的电力电子器件•热管理系统需采用高性能导热材料，确保温度均匀•连接部件需耐腐蚀、接触电阻稳定综合案例分析变电所材料总览开关设备材料母线与连接材料断路器和隔离开关的材料变电所内部连接材料•触头银钨合金，耐电弧侵蚀•硬母线铝管或铜排•灭弧室SF6气体或真空•软连接铜绞线或铝绞线变压器材料•绝缘支撑环氧树脂或陶瓷•绝缘子支柱复合绝缘子接地与防雷材料主变压器的核心材料包括•操动机构铝合金结构件•连接件热浸镀锌钢或不锈钢•辅助触点银镍合金•相间隔板玻璃钢或环氧板安全保护系统材料•铁芯取向硅钢片，厚度

0.27-

0.3mm•绕组漆包圆铜线或铜排•接地网热镀锌扁钢或圆钢•绝缘变压器油、纤维素纸、预制板•接地引下线铜绞线•套管瓷质或复合绝缘子•避雷针不锈钢或镀锌钢•散热器镀锌钢板或铝合金•氧化锌避雷器金属氧化物阀片变电所材料选择的关键参数包括电压等级（决定绝缘材料的耐压水平）、短路电流（决定导体的热稳定性）、环境条件（污秽等级、温度范围等）以及设备运行方式（负载率、连续运行要求等）综合考虑这些因素，才能确保变电所安全可靠运行绝缘失效事故案例年某地电缆老化爆破事件材料选型与环境的重要性2020110kV事故概况•事故地点某省会城市主干线路•设备类型110kV XLPE绝缘电力电缆•运行年限投运15年•故障现象电缆中间接头处发生爆炸，导致区域大面积停电，影响用户约5万户事故原因分析•主要原因电缆接头处XLPE绝缘材料发生水树化老化•次要因素安装工艺缺陷导致局部放电•环境影响电缆沟渗水导致绝缘加速老化•检测不足常规检测未发现绝缘劣化迹象失效机理水树是XLPE电缆中常见的老化现象，表现为绝缘中形成树枝状微通道•初期绝缘中形成微小水树，绝缘性能轻微下降•中期水树逐渐生长，形成网络，局部放电增加•末期水树贯通，形成电树，最终导致击穿改进措施•材料改进采用三层共挤型XLPE电缆，内外半导电屏蔽层与绝缘层同时挤出•添加剂技术在XLPE中添加抗水树剂•环境控制改善电缆沟排水设计，防止积水•在线监测安装部分放电监测系统，及时发现绝缘劣化纳米与超级材料展望超导材料实际应用石墨烯导体实验进展自修复绝缘材料打印电气元件3D高温超导材料正从实验室走向实际石墨烯是由单层碳原子组成的二维具有自修复功能的聚合物绝缘材料3D打印技术在电气材料领域正快速应用德国Essen市已安装了1km材料，理论电导率极高目前实验是当前研究热点这类材料在受到发展研究人员已成功开发出可导长的高温超导电缆，工作温度为-室已成功制备出大面积石墨烯薄机械损伤或电气击穿后，能通过化电和绝缘的3D打印材料，能够直接200℃，采用液氮冷却这种电缆膜，电阻率约为10^-6Ω·cm，接近学反应或物理流动自动修复损伤打印出功能性电气元件例如，银的载流能力是传统铜缆的5倍以上，铜石墨烯导体的优势在于质量极实验室研究表明，添加微胶囊的环纳米粒子墨水可用于打印导电图损耗极低目前主要应用于城市电轻（密度仅为铜的约1/4）且柔性氧树脂在破损后可恢复80%以上的案，导电率达到体相银的20-30%网中的短距离大容量输电，预计未好已有企业开始小规模生产石墨绝缘强度这种材料有望大幅延长这项技术使得电气元件的快速原型来10年内将扩大到更广泛的电力系烯透明导电膜，用于柔性电子设电气设备的使用寿命制作和个性化设计成为可能统中备电气材料未来四大趋势绿色环保电气材料的环保化是未来发展的必然趋势这包括无卤阻燃技术的推广、重金属替代、生物基绝缘材料的应用以及材料全生命周期的环境影响评估欧盟RoHS和REACH法规等环保法规将推动全球电气材料向更环保的方向发展未来五年内，生物基绝缘油有望在配电变压器中占据15%以上的市场份额智能化配合传统的被动电气材料正在向主动智能材料转变具有自诊断功能的绝缘材料可实时监测自身状态；响应环境变化的导体材料可根据温度自动调节电阻率；具有自修复能力的复合材料可延长设备使用寿命这些智能材料将与物联网技术结合，形成智能电气系统的物质基础高温高频适应/随着电力电子技术的发展和新能源应用的扩大，电气材料需要适应更极端的工作条件第三代半导体（SiC、GaN）将在高温、高频应用中占据主导地位；耐200℃以上的特种绝缘材料将在电动汽车和工业电机中得到广泛应用；低损耗磁性材料将支持更高频率的电能变换设备低成本高性能并进通过新型制造工艺和材料设计，实现电气材料性能与成本的优化平衡纳米复合技术可以在添加少量纳米材料的情况下显著提升性能；增材制造技术减少材料浪费；计算材料学辅助设计加速新材料开发这些技术将使高性能电气材料的成本大幅降低，促进技术普及课程核心知识点回顾材料选型逻辑性能与场合匹配原则电气材料的选择必须遵循特定的逻辑框架，综合考虑不同应用场合对材料性能有不同侧重多种因素•输电线路强调机械强度和环境适应性

1.确定电气参数要求（电压等级、电流大小、频率•变压器注重损耗特性和热稳定性等）•开关设备重视灭弧性能和操作可靠性

2.分析机械性能需求（强度、柔韧性、耐磨性等）•电子设备关注信号完整性和EMC性能

3.评估环境条件影响（温度、湿度、污秽、紫外线•特殊环境可能需要耐辐射、防爆等特性等）

4.考虑经济性和可获得性

5.权衡长期可靠性与初始成本材料技术发展路线电气材料的发展遵循以下路线•从单一材料向复合材料发展•从宏观设计向微观结构调控发展•从经验设计向计算辅助设计发展•从功能单一向多功能集成发展•从被动材料向智能响应材料发展本课程强调电气材料的选择必须建立在对材料性能的深入理解和对应用环境的准确把握上合适的材料选择不仅能确保电气设备的安全可靠运行，还能优化其性能、延长使用寿命并降低全生命周期成本在实际工程中，往往需要在多种要求之间寻找最佳平衡点推荐拓展阅读与参考推荐教材与专著主要标准文件•《电气工程基础》系列教材（高等教育出版社）•IEC60085:电气绝缘-耐热性评定与分级•《电工材料学》（王同庆，机械工业出版社）•IEC60216:电气绝缘材料-耐热性能•《电力电缆技术手册》（中国电力出版社）•GB/T11021:电力电缆绝缘和护套材料通用试验方法•《高电压工程》（赵常达，清华大学出版社）•GB/T3048:电线电缆电性能试验方法•《Electrical EngineeringMaterials》（Dekker）•GB/T2900:电工术语•《Insulating Materialsfor Designand EngineeringPractice》网站资源推荐（IEEE Press）•中国电工技术学会www.ces.org.cn学术期刊•国际电工委员会www.iec.ch•《IEEE Transactionson Dielectricsand ElectricalInsulation》•IEEE电气绝缘学会www.ieee-deis.org•《高电压技术》•中国电力科学研究院www.epri.sgcc.com.cn•《电工材料》•材料研究学会www.mrs.org•《中国电机工程学报》结束与答疑电气材料是电气工程的物质基础，其性能直接决定了电气设备的安全性、可靠性、效率和使用寿命本课程主要内容回顾我们系统学习了电气工程中常用的各类材料，包括导体、绝缘体、半导体和磁性材料等的基本特性、分类方法和应用场景探讨了材料选择的原则和方法，分析了典型案例，并展望了未来发展趋势进一步学习建议•结合实验室实践，亲身体验材料的特性和测试方法•关注前沿技术发展，特别是纳米材料和智能材料领域•将材料知识与具体工程实践相结合，培养综合应用能力感谢各位的参与和关注！欢迎提出问题，分享您的想法和经验。